对于IGCT重触发阈值设置的研究

摘要：集成门极换流晶闸管(IGCT)作为一种新型电流型器件，它是在门极可关断晶闸管(GTO)基础上发展而来的。由于IGCT集成了门极换流晶闸管(GCT)和门极驱动电路，具备高压大电流等优点，故广泛应用于大功率场合。IGCT器件的特殊性，决定了它应用于电压源型变流器时有特别之处。这里从IGCT的结构特点出发，结合IGCT器件的开通原理及门极驱动电路工作原理，分析了IGCT的重触发机理，并指出IGCT需要重触发的必要性。进而通过介绍在IGCT驱动板中实现重触发的方法，提出内部重触发阈值需合理设置的结论。为正确设置重触发闽值，提出一种实验方案来模拟在电压源型逆变器中IGCT需重触发的工作情况。实验结果表明，此方案可验证内部重触发阈值是否设置合理，从而提高IG CT应用的可靠性和安全性。
关键词：电压型逆变器；晶闸管；驱动电路；内部重触发

1 引言
IGCT集成了GCT和门极驱动电路，具备了类似IGBT的优良开通和关断能力及GTO高压大电流等优点，广泛应用于高压变频器、风力变流器等大功率场合。某公司自主开发了1100A／4 500V逆导型和4 000A／4 500V不对称型大功率GCT器件，并由某大学配套开发了相应驱动板。
在此针对不对称型IGCT的开通原理，结合其驱动电路的原理及在电压源型逆变器中的使用，分析了IGCT重触发的必要性。重触发阈值设置对触发效果有一定影响，对此提出一种实验方法进行合理设置并进行了实验验证。

2 IGCT的触发原理
2．1 IGCT的开通原理
IGCT按结构特点可分为逆阻型、非对称型和逆导型3种。逆阻型一般适用于电流型逆变器；非对称型一般应用于电压型逆变器；逆导型IGCT由GCT和反并联二极管集成而来。IGCT结构与常规GTO类似，同样为PNPN四层结构，在制造过程中采用了几项特殊的技术：缓冲层技术、透明发射极和逆导技术。

图1为IGCT内部结构示意图及其等效电路。ICCT作为电流控制型功率器件，与GTO的导通机理完全一致，如图1b所示，可分为两部分，即P1N1P2，N2P2N1晶体管，其共基极电流放大系数分别为α1，α2。图1b中箭头表示各自的电流方向。当GCT阳极A加上正向电压，同时门极G也加上正触发信号时，IGCT将进入导通状态，具体过程为：iG↑→iC2↑→iA↑→iC1↑→iC2↑，可见，这是一个正反馈过程。当门极电流iG增加到使晶体管N2P2N1的发射极电流增加，进而使晶体管P1N1P2的发射极电流也相应增加时，α1，α2也增大。当α1+α2>1后，两个等效晶体管均饱和导通，至此IGCT的导通过程结束。
2．2 IGCT驱动电路的原理
IGCT驱动电路由外部电源输入，然后通过内部开关电源给逻辑监控电路和开通关断电路提供稳定的电压。由外部发出一个光信号，通过信号接收电路传给逻辑监控电路，进而让开通电路向IGCT门极注入强触发电流iG≥150 A，且上升率diG／dt≥100 A／μs，达到IGCT的“硬驱动”要求，从而使器件开通。开通后，当阳极电流iA大于维持电流时，器件可持续导通；当iA低于维持电流时，将会出现器件自关断情况。为避免该情况发生，在驱动板中设置了维持导通环节，即当器件导通后，门极依然有电流注入，并通过逻辑监控电路的控制来实现注入电流大小的调节；关断也是由外部信号给入，通过逻辑监控电路发出指令控制关断电路，实现器件关断。为保证器件可靠关断，在关断过程中直至结束始终保持门极负偏置。图2为驱动电路原理示意图。

2．3 IGCT重触发的必要性
在IGCT导通期间，当出现iA小于维持电流时，可能会出现自关断现象。为提高可靠性，驱动电路会在器件导通后继续提供一个持续的门极维持电流，即通态维持电流。对于逆导型IGCT或配有反并联二极管的非对称型IGCT而言，当反并联二极管续流导通时，会在IGCT阳-阴极间加一个较小的反压，进而影响到iG的流向，即iG可能会流向阳极而不是阴极，如图3所示。与此同时，IGCT门极电流方向的改变会导致门-阴极间的等效二极管从导通变为截止，从而IGCT将处于不完全导通情况。当主电路的负载电流从反并联二极管换向并流入IGCT时，IGCT相当于一个门极没有充分触发的晶闸管，随着阳极负载电流上升会产生一个阳极电压上升率。虽然这种“功率脉冲”很小，但由于IGCT的导通不充分均匀，将造成IGCT局部过热，从而影响器件可靠性甚至损坏器件。在这种情况下，需对IGCT重触发。